地下式水電站排水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及技術(shù)改進(jìn)

張 濤，丁文婷

（1.中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133；2.國家電網(wǎng)湖北省電力公司特高壓直流運(yùn)檢中心，湖北 宜昌 443000）

地下式水電站排水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及技術(shù)改進(jìn)

張 濤1，丁文婷2

（1.中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133；2.國家電網(wǎng)湖北省電力公司特高壓直流運(yùn)檢中心，湖北 宜昌 443000）

地下式水電站發(fā)電廠房布置于地下洞室內(nèi)，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)要求，廠房深埋地下幾十至數(shù)百米不等，這使得地下式廠房排水系統(tǒng)管線布置受洞室結(jié)構(gòu)限制較一般水電站排水系統(tǒng)復(fù)雜。針對地下式水電站排水系統(tǒng)具體情況，本文進(jìn)行了排水系統(tǒng)水錘發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)分析，并介紹了相關(guān)的技術(shù)改進(jìn)措施。

地下電站；排水系統(tǒng)；水錘；改造

1 引言

水電廠排水系統(tǒng)是比較容易發(fā)生故障的部位，若排水系統(tǒng)不可靠，就會(huì)引起水淹廠房的重大事故，嚴(yán)重威脅水電廠的安全和運(yùn)行。地下式電站排水系統(tǒng)的安全運(yùn)行更顯得尤為重要。廠房采用地下式布置，廠房滲漏水源主要是地下水、引水隧洞內(nèi)外滲水，漏水量較大；同時(shí)還包括檢修排水、廠區(qū)生產(chǎn)生活排水。其中檢修排水的排水量大、位置較低，只能采用水泵排水，必須安全可靠，以防止因排水系統(tǒng)的故障引起尾水倒灌，造成水淹廠房的事故。

地下式水電站發(fā)電廠房布置于地下洞室內(nèi)，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)要求，廠房深埋地下幾十至數(shù)百米不等，這使得地下式廠房排水系統(tǒng)管線布置受洞室結(jié)構(gòu)限制，較一般水電站排水系統(tǒng)復(fù)雜。

2 某地下電站排水系統(tǒng)水錘概況

某地下電站廠內(nèi)排水系統(tǒng)深井泵包括機(jī)組檢修△排水深井泵8臺(tái)，廠房滲漏排水深井泵4臺(tái)，布置在67.0 m高程的水泵房內(nèi)。兩個(gè)排水系統(tǒng)均采用兩臺(tái)泵合并為一個(gè)出水管路，共用一個(gè)出水口的方式。而出水管路設(shè)計(jì)為從67 m高程豎直升至75.3 m高程后沿進(jìn)程交通洞左側(cè)預(yù)埋，至82 m高程尾水平臺(tái)之后再降至67 m出水口的布置形式。出水管從閘閥之后大約長340 m并且有15 m高度差。地下電站廠內(nèi)排水系統(tǒng)進(jìn)行帶負(fù)荷試驗(yàn)，水泵停機(jī)時(shí)發(fā)生水錘問題，并出現(xiàn)出水口伸縮節(jié)被水錘沖擊破壞導(dǎo)致扭曲變形的現(xiàn)象。地下電站廠房排水系統(tǒng)投入運(yùn)行調(diào)試過程中，發(fā)生了6次共計(jì)8臺(tái)次的深井泵電機(jī)燒毀事故。燒毀電機(jī)全部為機(jī)組檢修排水系統(tǒng)深井泵電機(jī)，1號(hào)～8號(hào)檢修排水深井泵電機(jī)在運(yùn)行過程中均被燒毀。

3 排水系統(tǒng)水錘壓力波動(dòng)計(jì)算

以并聯(lián)的2臺(tái)檢修排水泵為例建立模型（設(shè)備參數(shù)見表1），經(jīng)過適當(dāng)簡化得到如圖1所示管道走勢圖。J-1節(jié)點(diǎn)前為DN350的管道，之后為DN500的管道，AIR-1為復(fù)合式排氣閥，J-5之后的管道內(nèi)水流為半管流，R-2處為自由出流末端。

表1 設(shè)備參數(shù)

圖1 管道走勢圖

兩臺(tái)泵同時(shí)在正常工況運(yùn)行時(shí)，管道內(nèi)水流為的恒定流，是水力過渡過程的初始狀態(tài)。泵的額定出口壓力為80 m水頭，單臺(tái)泵額定流量為1 000 m3/h，DN500管道內(nèi)流量為2 000 m3/h。水泵實(shí)際運(yùn)行過程中單臺(tái)水泵流量大于1 200 m3/h，則DN500管道內(nèi)實(shí)際流量大于2 400 m3/h，取2 400 m3/h。

按恒定流分析，管段沿程水頭損失計(jì)算可以按HAZEN-WILLIAMS公式計(jì)算：

f=0.010666LC-1.85D-4.865Q1.852

式中：f為單位長度的摩擦損失mm；

Q為公制流量單位m3/s；

D為管道內(nèi)徑m；

C為管道的光滑系數(shù)，在本系統(tǒng)當(dāng)中按常規(guī)取125。

在本系統(tǒng)當(dāng)中，局部水頭損失除水泵之外并無依據(jù)可取，在適當(dāng)調(diào)整管道光滑系數(shù)C值之后，做為管線的總阻力。因此為簡化計(jì)算，得到如圖2所示的兩臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)管道恒定流狀態(tài)壓力分布，兩線的差值為對應(yīng)位置管道的實(shí)際壓力水頭。

針對管線進(jìn)行恒定流的水力分析，其中中間的線2為管線覆設(shè)線，線1為管線正常供水時(shí)的水壓線，末端為半管流。X軸為管線距離，Y軸為絕對高程（后同）。

圖2 兩臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)管道內(nèi)恒定流壓力分布圖

（1）停泵水錘分析。

在本兩臺(tái)泵組成的排水系統(tǒng)中，可能產(chǎn)生“停泵水錘”的工況為：

1）單泵正常關(guān)停，本系統(tǒng)正常停泵方式為軟停泵，有一定的停泵時(shí)間；

2）人為事故或系統(tǒng)故障（斷電等）引起單泵或兩泵同時(shí)突然關(guān)停，停泵時(shí)間極短。

發(fā)生水錘時(shí)，水錘壓力波會(huì)以極快的速度在管道內(nèi)傳播。壓力波速a可按下式計(jì)算：

其中:K為水的體積模量，取2.0646×109 Pa；

E為普通鋼材的彈性模量，取1.96×1011；

δ為鋼管壁厚。

計(jì)算得DN350管道的波速為1 235 m/s，DN500管道波速為1 155 m/s。由于水泵的突然關(guān)停，水泵之后的管道內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)壓力下降。壓力波會(huì)快速向水流相同的方向傳遞。到達(dá)終點(diǎn)后（或終點(diǎn)閥門，或者水池，或者管網(wǎng)）水錘波會(huì)返回，返回的壓力波會(huì)使水泵后管道的壓力升高。壓力波遇到止回閥的阻擋后，會(huì)繼續(xù)返回，在管道中進(jìn)行阻尼震蕩，慢慢平穩(wěn)在靜水壓線上。

發(fā)生事故停泵時(shí)，在假設(shè)系統(tǒng)未加保護(hù)的情況下，對泵及整條管線壓力變化進(jìn)行分析。

對于單泵突然關(guān)停的情況，由圖3所示單泵突然關(guān)閉時(shí)管線壓力包絡(luò)線可見，水錘壓力波產(chǎn)生的最大壓力出現(xiàn)在泵的出口處，約為400 m水頭，沿管線最大壓力逐漸降低。而由圖4所示的單泵突然關(guān)閉時(shí)泵出口處的壓力波動(dòng)隨時(shí)間變化的情況可以看出，最大壓力出現(xiàn)在停泵后極短的時(shí)間內(nèi)，壓力波隨后經(jīng)過了約80 s的阻尼震蕩，最后慢慢平穩(wěn)在靜水壓線上。對于兩臺(tái)泵同時(shí)突然關(guān)停的情況，圖5顯示泵出口處的最大壓力達(dá)到了700 m水頭，而圖6顯示管道呈現(xiàn)出持續(xù)較高的壓力波動(dòng)。

圖3 單泵突然關(guān)閉時(shí)管線壓力包絡(luò)線

圖4 單泵突然關(guān)閉時(shí)出口處的壓力波動(dòng)隨時(shí)間變化的情況

圖5 兩臺(tái)泵同時(shí)突然關(guān)閉時(shí)管線壓力包絡(luò)線

圖6 兩臺(tái)泵同時(shí)突然關(guān)閉時(shí)泵出口處的壓力波動(dòng)隨時(shí)間變化的情況

4 電機(jī)燒毀原因分析

地下電站檢修排水深井泵電機(jī)頻繁燒毀，檢修泵在停泵時(shí)電流快速上升，最大電流值達(dá)到2 000 A左右，并且持續(xù)時(shí)間在3～5 s。深井泵停泵時(shí)的電流過大導(dǎo)致電機(jī)繞組絕緣受到?jīng)_擊，是深井泵電機(jī)屢次燒毀的重要原因。

5 技術(shù)改進(jìn)及探討

為了使深井泵工作完成后能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)停泵，地下電站采用軟停泵的方式進(jìn)行停泵。即通過控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的方式，使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低直至電機(jī)停機(jī)。軟停泵時(shí)間最初設(shè)定為10 s，后來由于在排水管理中發(fā)生比較嚴(yán)重的水錘現(xiàn)象，便將軟停泵時(shí)間增加了5 s，改為15 s。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。通過

表2 不同方式及時(shí)間軟停泵時(shí)的最大電流值

現(xiàn)場調(diào)試最終排水系統(tǒng)采用減小電流的軟停泵方式，軟停泵時(shí)間設(shè)為3 s。

軟停泵時(shí)間增加是為了減緩管道中的水錘沖擊，此次試驗(yàn)減少了軟停泵時(shí)間，雖然監(jiān)測了電機(jī)的停機(jī)最大電流，但未能對管道中的水錘情況進(jìn)行監(jiān)測，有可能導(dǎo)致管道中的水錘現(xiàn)象加劇。

地下電站檢修排水系統(tǒng)8臺(tái)泵現(xiàn)階段開啟方式為不同出水管路的兩臺(tái)深井泵同時(shí)啟動(dòng)，即1號(hào)與3號(hào)、2號(hào)與4號(hào)、5號(hào)與7號(hào)、6號(hào)與8號(hào)分為4組，按啟動(dòng)次數(shù)進(jìn)行啟動(dòng)，啟動(dòng)次數(shù)少的優(yōu)先啟動(dòng)。停泵時(shí)按啟動(dòng)順序進(jìn)行時(shí)間間隔停泵，即先啟動(dòng)的一組先停泵，時(shí)間間隔為40 s。

在此運(yùn)行方式下，地下電站檢修排水系統(tǒng)最大的風(fēng)險(xiǎn)為：當(dāng)排水量較大導(dǎo)致檢修排水深井泵有6臺(tái)或者8臺(tái)啟動(dòng)排水時(shí)，出現(xiàn)人為事故或者系統(tǒng)故障導(dǎo)致正在運(yùn)行的深井泵在極短的時(shí)間內(nèi)同時(shí)停泵，即共用同一出水管道的兩臺(tái)泵（1號(hào)和2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)、7號(hào)和8號(hào)）同時(shí)關(guān)閉導(dǎo)致水泵出口處出現(xiàn)劇烈的壓力波動(dòng)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，對系統(tǒng)中的閥門和管道造成破壞。

因此在原有排水管路中加裝泵控閥配合水泵電機(jī)軟停十分必要。現(xiàn)場勘測進(jìn)行管路改造加裝電控式水泵控制閥后，通過壓力變送器對停泵工況進(jìn)行監(jiān)控（圖7），數(shù)據(jù)表明，改造對改善排水系統(tǒng)出口管路壓力波動(dòng)和水錘影響，效果明顯。

圖7 出口管路改造后動(dòng)態(tài)監(jiān)測記錄的數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

通過以上對地下式水電站排水系統(tǒng)水錘的分析和系統(tǒng)改造，可得出以下結(jié)論：

（1）地下式水電站由于洞室結(jié)構(gòu)限制，輸水管線布置復(fù)雜，停泵過程中水錘對系統(tǒng)安全影響較大。

（2）排水系統(tǒng)通過減小電流的軟停泵方式能有效降低水錘影響，一定程度上避免水泵電機(jī)的燒毀，但無法保證動(dòng)力電源掉電下設(shè)備安全。

（3）系統(tǒng)通過增加泵控閥，并配合調(diào)整水泵電機(jī)合適軟停泵時(shí)間雙重保護(hù)能有效的改善地下式水電站排水系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備的可靠性，且具備通用性。

[1]結(jié)少鵬，張 健，黎東洲，等.多支線長距離重力流輸水系統(tǒng)的水錘防護(hù)[J].人民黃河，2014(08).

[2]羅 浩，張 健，蔣夢露，等.長距離高落差重力流供水工程的關(guān)閥水錘[J].南水北調(diào)與水利科技，2016(01).

[3]劉志勇，劉梅清，王華超，等.局部阻塞對管道瞬變流頻響特性的影響分析及應(yīng)用[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016（5）.

TV738

B

1672-5387（2017）01-0049-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.015

2016-06-12

張 濤（1983-）男，工程師，從事水電站機(jī)械設(shè)備技術(shù)管理工作。